JPS58174889A - 炉心燃料の取替方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉の制御棒の持つ役割を分割し、それぞ
れの役割に応じた制御棒を設け、原子炉炉心内にこれら
制御棒を配置し、原子炉の安全性と性能向上とを計る原
子炉炉心において、燃料取替時、制御棒の持つ役割に合
致するように、新燃料棒と残余の燃焼可能な旧燃料棒と
を装荷する炉心燃料の取替方法に関する。

一般に原子炉では通常百数十本の制御棒が等間隔に原子
炉内に配置されている。

次に原子炉の制御棒の役割を以下の（イ）からに）に列
記する。

（イ）原子炉停止の状態から温態待期状態までの原子炉
の反応度調整。

（ロ）温態待期状態から定格出力発生状態までの原子炉
発生全出力レベルの調整。

（ハ）　出力発生状態での原子炉内出力分布調整および
出力分布の積算値である原子炉内燃焼度分布調整。

に）負の反応度急速挿入ｒよる原子炉緊急停止。

従来、原子炉で使用している制御棒は、前記制棹の役割
を炉心内の全制御棒が等しく担えるよう、全く同じ制御
棒構造と制御棒駆動機構をそなえている。前述の制御棒
の役割を検討すると非常に広範囲のもので、同一の制御
棒構造制御棒駆動機構を持つ制御棒では、それらの役割
に適切な対応がむずかしい。以下にその問題点を述べる
。

（５）　制御棒駆動機構に関して述べる。従来のものは
１ノツチ１５２＋ｍ（６インチ）駆動、連続駆動と緊急
停止時の制御棒急速挿入の３種類で、すべて水圧により
駆動している。１ノツチ駆動および連続駆動時の制御棒
移動速度は約７６１１１１（３インチ）７秒で、緊急停
止のだめの制御棒急速挿入は原子炉底部よす９０％挿入
までの所要時間は約３．５秒である。

高出力発生時、制御棒を１ノツチ駆動するときに問題が
ある。原子炉の燃料の被覆管にはジジルカロイ−２が使
用されているが、この熱膨張係数が燃料ペレットの熱膨
張係数よりも小さく、シかも燃料ペレットの温度が高い
ため、燃料ペレットが被祷管に接触し燃料ペレットの出
力が急激に上昇する場合には、被覆管を損傷する（これ
を通常Ｐｅ１ｌｅｔ−Ｃ１ａｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　−ＰＣＭＩと称している）こ
とが判明している。

そのため、各燃料ペレットの出力上昇を除々に行い、被
覆管を十分燃料ペレットからの圧力になじませるという
運転方法が必要になっている。制御棒は原子炉全体の出
力レベルにも犬きく関係するが、その制御棒に隣接する
燃料棒の出力レベル変化に大きく影響を与える。特に制
御棒引抜時に今まで制御棒に隣接している燃料棒の出力
上昇が大きく、これがＰＣＭＩ上大きな問題となり、高
出力発生時の制御棒移動には厳しい制約を設けている。

この事は、従来の制御棒の負の反応度が大きい事と、移
動速度が速く、また１ノツチの間隔が大きい事にその原
因がある。

次に緊急停止時の制御棒挿入速度については、近年の原
子炉の高性能化、高出力密度化と高燃料燃焼度を目標と
しているため、炉心軸方向の燃焼度分布、反応度分布が
緊急停止時の制御棒特性（スクラム特性）の悪化をうな
がし限界に達している。このためには、緊急停止時の制
御棒急速挿入速度を従来より速くすることが必要である
。

（Ｂ）　　制御棒構造について述べる。緊急停止時の制
御棒急速挿入時は、制御棒の持つ負の反応度、特に制御
棒先端部の反応度が大きい方がスクラム特性上望ましい
。一方高出力発生時は、制御棒移動に伴い、それに隣接
する燃料棒の出力変化を小さくするためには制御棒の持
つ負の反応度が小さい方が望ましい。特に高出力発生時
における制御棒の移動は通常１ノツチの移動であるので
制御棒先端部の反応度のみが小さくても大きな効果が期
待できる。

上述のような、２つの相反する要求を満足することは現
在の制御棒ではむずかしい。制御棒の機能は吸収管内に
充填されている中性子吸収の大きいＢ、Ｃ粉末にある。

吸収管内のＢ、Ｃ粉末充填率は現設計では理論密度の７
０±５％と決められている。この下限値は、吸収管内の
Ｂ４Ｃ粉末の沈積による制御棒、特にその先端部の反応
度減少を避けるために設けられたもので、上限値は制御
棒の機械的寿命から設定されている。

即ちＢ、Ｃ粉末中のボロンは中性子吸収によりヘリウム
ガスとなるが、制御棒燃焼に伴い、吸収管内のヘリウム
ガス圧が上昇し、ついには吸収管が損傷することになる
。この為１３４Ｃ粉末の充填率に上限を設はヘリウムガ
ス圧の吸収を計っている。Ｂ、Ｃ粉末の沈積による制御
棒先端の反応度の減少にＰＣＭＩ上からは望ましい傾向
であるが、原子炉の安全上からみると予期出来ない制御
棒の持つ負の反応度の減少は好ましくない。

０　安全保護系について述べる。制御棒は原子炉を停止
するために通常使用されるものであるため、制御棒の安
全保護系は完全なものば要求されている。ところが制御
棒の役割を原子炉内金ての制御棒に同等に分担させてい
るため、その機構が非常に複雑で、安全保護系に要求さ
れている冗長性及び独立二系統の確保が困難であるばか
りでなく、運転操作上も好１しくない。

その理由は、以下に示す（イ）（ロ）である。

（イ）原子炉内に装荷されている全燃料集合体の燃焼を
出来るだけ一様として、燃料集合体間の出力差を少なく
して定格出力発生を容易とする。

（ロ）制御棒の機械的寿命を延長させるため原子炉に装
荷されている全制御棒の中性子吸収量の均一化を計る。

これらの理由のため、各燃料サイクルで原子炉内の全燃
料集合体、全制御棒が出来るだけ一様に燃焼するような
運転方法を採用している。

また、原子炉燃料取替時、新燃料の装荷位置と残余の燃
焼可能な旧燃料の装荷位置との適正配置を決定すること
は容易でないことである。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、制御棒の役割を２分し。

それぞれの役割に最適な構造、駆動機構、安全保護糸を
持って制御棒を原子炉内に適切に配置した原子炉炉心に
おいて、原子炉燃料取替時、新燃料の装荷位置と残余の
燃焼可能な旧燃料の装荷位置との適正配置による炉心燃
料の取替方法の容易さとを目的とする炉心燃料の取替方
法を得ることにある。

以下図面を参照して本発明が適用される原子炉炉心に関
して１明する。第１図は沸騰水形原子炉の制御棒である
。制御棒１には粗調整制御棒と微調整制御棒との二種類
ありこれら両者とも中央構造物２にブレード３を十字形
に構成させている。

制御棒ｌの下端部には結合ソケット５を有し、図面は示
していないが制御棒駆動機構に連結される。

制御棒１の頂部には押手６を設け、上部よりの取扱いも
可能にしている。前記の中央構造物２とブレード３の間
隙に多数本の細管状の中性子吸収管４・・・・・・を収
納している。この中性子吸収管（拮１りは第２図と第３
図に示すように円筒状の吸収管被覆管１０は上部に上部
端栓と下部に下部端栓１２とで密封されている′。吸収
管被覆管１０の内部にはＢ４Ｃ粉末１４を装填し、途中
位置にはセパレータボール１５を設け、Ｂ４Ｃ粉末１４
を分離支えている。吸収管被覆管１０には、セパレータ
ボール１５を固定するだめ、セパレータボール位置くほ
み１６を設けている。これらセパレータボール１５間の
間隔寸法Ｂは約４０６　ｍ　（１６インチ）である。粗
調整制御棒の中性子吸収管（４Ａ）は第２図に示すよう
に、中性子吸収用Ｂ、Ｃ粉末を全長に渡って均一に充填
している。この粗調整制御棒の中性子吸収管（ゼ、）、
の全長寸法Ａは約３６５８　ｔｒａ　（１４４インチ）
である。微調整制御棒の中性子吸収管（す）は第３図に
示すように、上端よりの寸法Ｃの約１５２＋ａ＋（６イ
ンチ）には中性子吸収用Ｂ４Ｃ粉末を充填しない空隙の
ガスプレナム部３１を設けている。従って、この空隙の
ガスプレナム部３１には中性子吸収機能がない。

さらに、このガスプレナム部３１の寸法Ｃは原子炉の反
応産制整時、制御棒の引抜最小駆動寸法に合わせている
。前記のように、この空隙のガスプレナム部３１に中性
子吸収機能を持たせてない理由は制御棒引抜時の原子炉
出力密度の上昇を緩和させるように作用させるためであ
る。

次に原子炉炉心における制御棒ｌの配置を、説明する。

第４図は８００１ＶＴＷ級の沸騰水形原子炉の従来の制
御棒区分で制御棒を表に示すように、各制御棒状態ａい
Ｂ２、ｂｌ、Ｂ２にもとづく制御棒パターンＡＩ、Ｂ１
．、Ａ２、Ｂ２により、原子炉内の全燃料集合体の燃焼
の均一化を計っている。

表 この第４図の配置による運転方法は、装荷燃料が全て新
燃料である燃料第１サイクルでは効果があるが、炉内装
荷燃料の約１／４が新燃料となる第２サイクル以降には
適切でない。即ち、溶料被覆管は燃焼に伴ってそのぜい
化が進み、新燃料の場合と同じ出力変化インパクトを与
えた場ＰＣＭＩ効来が大きい。上述の運転方法では新燃
料あるいは燃焼の進んだ燃料にかかわりなく、原則的に
同じ大きさの出力変化インパクトを燃料被覆管に与える
運転方法となっている。すなわち、−担炉内に装荷され
れば新燃料、旧燃料に関係なく全く同じ取扱いとなって
いて燃料の健全性確保上不都合がある。

第５図に、本発明に関する原子炉炉心におけるとを第５
図に示すように炉心最外周を除いてチェッカーボード状
に配置して原子炉の最適運転を行うものである。この粗
調整制御棒は原子炉停止の状態から温態待期または低出
力発生時までの原子炉の反応度調整と原子炉緊急停止時
の負の反応度の急速挿入を行う。この粗調整制御棒の駆
動は原子炉緊急停止時を除いて、原則的には微調整制御
棒全挿入時にのみ許容される。との粗調整制御棒を１ノ
ツチ相当引抜を行うときの発生出力レベルの変化は第６
図の曲線６０ＶＣ示すように大きく変化するため、出力
運転中に引抜出力調整するのには不向きである。この粗
調整制御棒ｖ′ｉ總７図のスクラム特性曲線の斜線部で
示す特性をもつため、原子炉緊急停止時の負の反応度の
急速挿入に適している。

微調整制御棒は温態待期または低出力発生時から定格出
力発生時までの原子炉発生全出力レベル調整と、原子炉
内出力分布および燃焼度分布調整を行う。なお、微調整
制御棒の駆動は原註１［的には粗調整制御棒全引抜時に
のみ行うものである。このｓ調整制御棒を１ノツチ相当
引抜を行うときの発生出力レベルの変化は第６図の曲線
６１に示すように小をい。従って、この微調整制御棒を
原子炉全出力レベル調整に使用する」局舎、燃料被覆管
に与える出力変化インパクトを著しく軽減できるもので
ある。

次に原子炉制御棒１について説明する。

中性子吸収管（精）を収納する粗調整制御棒は高出力発
生時ｒは原則的に全引抜の状態にあるので、中性子の吸
収は非常にすくない。よって柑ｉ周整制御棒の吸収管内
のヘリウムガス圧の増加もわずかで、その機械的寿命は
延長する。またヘリウムガス圧の増加がわずかなので、
吸収管内のＢ、Ｃ粉末粒１４を従来以上の充填とし、粗
調整制御棒の持つ負の反応度を大きくすることができる
。また緊急停止時のスクラム特性を第７図に示すように
よくすることが可能となる。

このように粗調整制御棒は緊急停止時に作動する事を主
にするだめ、緊急時の安全保護系をこの粗調整制御棒だ
けに設置すればよく、機構の簡素什または安全保瞳系に
要求はれている冗長性独立二系統の確保も容易に行える
。

中性子吸収管（４Ｂ）を収納する微調整制御棒は高出力
発生時１ノツチ駆動が主となるので、その移動速度を遅
く、まだ１ノツチの間隔も短かくして燃料への出力上昇
インパクトを減じ燃料の健全性を向上さぜることか可能
である。そのため、微調整制御棒の駆動を電動式とし移
動速度を極端に遅くする事が出来る。

このように微調整制御棒の駆動を電動式とする場合、緊
急停止時のスクラム特性悪化が考えられる。しかし前述
のように粗調整制御棒と微調整制御棒とをチェッカーボ
ード状に配置している事、粗調整制御棒の挿入速度が速
い事、粗調整制御棒全挿入、微調整制御棒全引抜の状態
で原子炉を温胛待期以下にするだけの十分な反応度を粗
調整制御棒が持っている事、また緊急停止信号によりゆ
っくりではあるが微ｉｉｌ＋！ｌ整制御棒も全挿入すれ
ば原子炉を停止状態とすることができる事から微調整制
御棒は電動式で駆動するが可能である。

−まだこれらのことにより、駆動機構の簡単化が行え機
器必要スペースの減少が計れる。

微調整−制御棒は高出力運転時に原子炉に常に挿入され
ているため、ボロンの中性子吸収によるヘリウムガス圧
吸収用のガスプレナムを設けている。

微調整制御棒はその駆動による燃料棒への出力変化イン
パクトを小さくするため前述のように制御棒先端部の負
の反応度を小さくさせている。まだ第５図に示すように
、粗調整制御棒と＃！帥整制御棒とをチェッカーボード
状に配置する。との制御棒１ｆｌｉ構成では、粗調整制
御棒に隣接する燃料集合体に比較してより進み、燃料燃
焼度は低下する。

よって第２燃料サイクル以降では、新燃料を微調整制御
棒に隣接する位置に装荷し、次サイクルで取出す予定の
旧燃料を粗調整制御棒に隣接する位置に、それぞれ装荷
する事により、先に挿入制御棒に隣接していない燃料集
合体の全出力は、隣接する燃料集合体のそれに比［７て
大きくなる。これは、燃料集合体全体の出力レベルにつ
いてであって、燃料の局所出力レベルについては適用さ
れない。局所出力ビーキングは通常挿入制御棒の先端よ
り１〜２ノ一ド上部に現わる。この挿入制御棒は出力運
転時に移動するため、燃料被！ｆｉ管のゼイ）化が進ん
でいない新燃料集合体を微調整制御棒に隣接する位置に
装荷する。また局所的には出力ビーキングは低く、シか
も出力運転時に制御棒の移動がｌく、出力変化のずくな
い粗調整制御棒に隣接する位置に、次サイクルで取出す
予定の燃料集合体を装荷する。この事はＰＣＭＩ対策上
効果がある。また、次サイクルで取出す予定の旧燃料集
合体を、出力運転時、常に全引抜状態にある粗調整制御
棒に隣接する位置に装荷する事により、取出し燃料集合
体の軸方向燃焼度の平担化が計れる。

ざらに第５図に示す制御棒パターンを使用する事により
“制御棒パターン交換に必要な時間が著しく短縮でき、
原子炉の稼動率をも向上できる。

すなわち、従来は前記衣に示すように４つのパターンＡ
１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２を用いていたのに対し、たとえば
パターンＡ２のみ、あるいはパターンＡ２、Ａ１のみで
原子炉を運転するため、制御棒パターンの交換回数が減
少する。

斯［２て本発明の炉心燃料の取替方法は、粗調整制御棒
と微調整制御棒の２種類の異なる機能を持つ制御棒を有
し、原子炉炉心内にチェッカーボード状に適切に配置し
た原子炉炉心に適用することにより、原子炉燃料取替時
及び新燃料と残余の燃焼可能な旧燃料との適正装荷によ
り燃料の燃焼効率を高めるとともに、炉心燃料の取替を
容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水形原子炉の制御棒全体図、第２図は粗調
整制御棒に収納する中性子吸収管の断面図、第３図は微
調整制御棒に収納する中性子吸収管の断面図、第４図は
炉心の制御棒配置図、第５図は炉心の粗調整制御棒と微
調整制御棒との配置図、第６図は粗調整制御棒と微調整
制御棒を各々に、１ノツチ相当引抜するときに、これら
制御棒に隣接する燃料焼の発生出力レベル変化特性図、
第７図は粗調整制御棒による緊急時のスクラム特性図゛
である。 １・・・制御棒　　　　　　４・・・中性子吸収管１３
・・・アイアンウール　　１４・・・Ｂ、Ｃ粉末３１・
・・ガスプレナム部 代理人　プＰ理士　則　近　憲　佑　（（コか］、府）
第１図 第２図 第３図 Ｂ 造；−５６図 Ｐ杓イ委す３堵；才！４＋楡【１本カンへ゛ル麦イ（１
１今　八１　（杉−ジ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 微調整制御棒より緊急停止時の挿入速度が早く、微調整
   制御棒より負の反応度が大きく、高出力運転時に原則的
   に全引抜状態である粗調整制御棒と、粗調整制御棒より
   駆動速度が遅く調整可能で、その先端部は負の反応度が
   小さく構成され、高出力運転時の反応度調整と出力分布
   調整に使用し、原則的に粗調整制御棒引抜後引抜さする
   微調整制御棒と、これら粗調整制御棒と微調整制御棒と
   を最外周を除く炉心にチェッカーボード状に配置し、最
   外周は粗調整制御棒を配置して構成される原子炉炉心に
   おいて、燃料取替時、新燃料を微調整制御棒に隣接する
   燃料装荷位置に装荷し、燃焼が進み残余の燃焼ロエ能な
   旧燃料を粗調整制御棒に隣接